基于ADSP-BF533的声频定向算法实现

    1 引言

    传统的扬声器包括分频设备、低音、中音、高音等单元, 它利用筒式结构直接激励空气分子运动产生可听声波, 声频定向装置与这种传统创造声波的方式完全不同, 它通过超声波传感器发出经超声波调制的声音信号, 利用波在空气中的非线性传播效应, 信号自解调形成具有高度指向性的声波。如同激光装置可以把光束聚集在一个远距离的很小的截面上一样, 声频定向装置可以把声束聚集在一个确定的方向上, 把原始声音无失真地传给指定方向上的收听者, 比如可以安装在汽车上作为喇叭只对车前的目标发声提醒; 还可以用在多语言会议中, 把不同的声音信号传达给不同的目标收听。

     声频定向技术的关键是超声波传感器的设计和对音频信号的调制。其中建立合适的调制模型显得尤为重要, 国内外众多学者在这方面做了大量的探索性研究工作, 并未能达成一致的标准。新加坡南洋理工大学提出了一种改善的音频调制模型, 利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gates Array, 简称 FP-GA)成功进行了实验,但依然存在一些有待解决的问题。

    随着高速数字信号处理器 (Digital Signal Proces-sor, 简称 DSP) 的快速发展, 音频信号的处理越来越多地采用 DSP 器件实现。ADI 公司推出的 Blackfin 系列通信等数字信号处理, 同时提供综合的控制能力。

    2 系统实现原理

    2.1 声频定向算法

    音频信号的调制处理对声频定向超声波传感器能否产生声音、产生声音的品质好坏起着至关重要的作。由于超声波在空气中的传输融入了很多非线性因素, 几乎不可能利用传统的线性声学理论寻找出合适的音频调制模型。超声波波束由 Khokhlov Zabolot-skaya Kuznetsov(KZK)方程描述, 这是目前最精确的非线性描述方程, 它考虑到了超声波在空气中散射、非线性、吸收等效应, 对其求解可帮助建立起最合适的音频调制模型。

    2001 年度, 新加坡南洋理工大学 Woon- Seng Gan教授领导下的研究小组做了大量的探索性工作, 提出了一种改进的音频调制模型(式 2- 1), 并进行了相关的仿真和实验, 验证了该模型的正确性。

    y(t)为输出信号;

    r(t)为输入音频信号;

    m为调制度参数;

    p0为基波幅度参数;

    ωc 为载波频率, 取 40kHz;

    r(t)为原始音频信号, 通过模/数转换芯片进行采集, y(t)为调制后输出信号, 通过数/模转换芯片输出。该算法为连续时域模型, 通过离散化把 t 变为采样时间 kT(k 为采样次数, T 为单次采样时间)实现求解。